數字流域視域下永定河水資源實時監控與調度系統設計與實現

齊師杰 啜瑞媛 呂天慧

(1.天津市龍網科技發展有限公司,天津 300171;2.北京七兆科技有限公司,北京 100070)

當今社會正朝著數字化和智慧化方向發展,數字技術在各個領域的應用也越來越廣泛,“數字經濟”“數字地球”“數字流域”等理念隨之產生。《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》針對智慧水利建設提出“構建智慧水利體系,以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”的要求,突出了智慧水利要以流域為單元實施,體現了水資源管理的流域特征。永定河水資源實時監控與調度系統建設是落實永定河綜合治理與生態修復工作重要任務之一,該項目旨在以數字流域理念為牽引,以實現流域“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”為治理目標,通過數字流域平臺建設,為永定河流域生態水量調度、水旱災害防御、綜合治理與生態修復提供信息服務和決策支撐[1]。

1 數字流域概述

“數字流域”是由“數字地球”衍生出來的概念,數字流域建設是智慧水利發展的重要基礎[2]。20世紀80年代開始,美國、日本等發達國家率先將數字化、建模、仿真等技術應用于流域現代化管理,“數字流域”的概念也在不斷深化和發展。目前,學術界對“數字流域”的概念尚未達成公認的定義。基于其他學者的研究成果,此處將數字流域定義為“綜合運用新一代信息技術對全流域的地理環境、自然資源、生態環境、人文景觀、社會和經濟狀態等各種信息進行采集和數字化管理,構建全流域綜合信息平臺和三維影像模型,為各級部門有效管理流域的經濟建設和資源開發利用提供信息化支撐”[3]。

從建設思路上看,數字流域以空間多級流域精細展示化為業務單元,以全業務動態模塊化管控為技術方向,以解決管理中實際落地問題為導向,建設區-市-縣聯動云化、管理運維一體的智慧應用。從建設內容上看,數字流域建設包括“大感知”“大數據”“大地圖”“大模型”“大應用”5部分[4]。其中“大感知”即通過構建基于天空地一體化的監測體系實現流域全要素透徹感知;“大數據”即通過構建以數據源、數據流、業務流、工作流為基礎的線索式水利大數據資源目錄體系實現大數據資源池及思維模式;“大地圖”即建成時空立體地圖大數據支撐平臺;“大模型”即通過構建數據、算法業務模型融合體系形成流域尺度智能化分析中樞;“大應用”即通過構建以“水安全、水環境、水資源、水生態、水智慧”為核心的流域智慧平臺業務應用體系實現流域尺度業務大融合與智慧應用。

2 流域水資源實時監控與調度系統的設計與實現

2.1 設計思路

遵循智慧永定河總體框架要求,以“監督、監控、評價、評估、調度、預警”為核心功能,通過監測體系、數字永定河平臺、業務系統和安全體系建設,整合形成服務于永定河水資源統一調度管理的水資源實時監控與調度系統,實現流域水資源、水環境、水生態等狀況變化的綜合展示分析,實現流域生態水量調度計劃制定、過程監視、水賬計算、調度后評估等多項業務的綜合管理,實現流域生態水量調度決策的精細化管理,進一步提升永定河流域治理能力和管理能力,加快實現永定河“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”治理目標。系統用戶包括海河水利委員會(以下簡稱“海委”)、京津冀晉四省(直轄市)水行政主管部門、永定河流域投資有限公司(以下簡稱“永定河公司”)、灌區農戶和社會公眾(見表1)。

表1 系統用戶描述

2.2 總體框架

系統基于微服務設計理念,遵循智慧永定河框架體系,采用分層結構進行開發建設[5]。系統總體框架見圖1。

圖1 系統總體框架

a.監測體系。監測體系是整個系統的監測數據來源,監測體系集成已建測站監測信息,補充水量、水質、工情、水位、灌區渠首取水、入河排污、地下水水位、雨量、水生態等多種監測信息和視頻數據,同時利用遙感監測設施、移動監測設備等獲取遙感數據、移動監測數據,對流域水資源、水環境、水生態等狀況變化進行全面監控。主要包括基礎數據、監測數據、業務數據、水生態數據、模型數據、算法數據、空間數據、元數據和多媒體數據共9類數據。通過監測體系建設,實現系統數據的有效存儲和科學管理,統一數據管理方式可提高信息共享應用水平,為系統功能的實現和高速運行提供支撐。

b.數字永定河平臺。建設數字永定河平臺,以應用中間件、地理信息平臺、云管理平臺和數據庫管理系統為應用支撐,利用網絡傳輸提供監測站網傳輸數據和用戶訪問系統的通道;充分應用海委基礎設施、視頻、數據、業務應用等現有資源,統一規劃基礎運行環境,整合和新增軟硬件資源,合理搭建本項目所需技術環境,為系統運行提供軟硬件環境;建設數據共享系統,提供數據交換、信息填報等功能,并結合業務需求提供數據關聯、分析計算、屬性數據調用、算法庫、數據接口管理等數據服務;搭建三維仿真影像、平面地圖、概化圖等多種方式的展示平臺,實現三者聯動響應,以供業務應用層按照功能需要進行調用。同時,配套大屏幕顯示系統,滿足用戶對大屏幕顯示系統的應用需求。

c.業務系統。結合流域水資源監控、綜合治理實施效果評估、生態水量調度、水資源管理調配及洪水防御工作需要,建設基于永定河水資源動態評價與生態水量實時調度模型及防洪預報體系模型的業務系統,包括業務門戶、全景永定河、監督管理、水量調度、綜合評價、遙感分析、信息填報、系統管理等模塊。同時,建設業務應用App、農戶App和微信公眾號,以滿足用戶移動辦公需求,輔助用戶及時掌握相關信息。

d.技術標準體系。系統嚴格遵守國家、行業相關法律法規、標準規范,并符合智慧永定河建設總體框架要求。

e.安全體系。系統嚴格遵循《網絡安全等級保護基本要求》(GB/T 22239—2019)中三級信息系統防護要求,基于海委網絡安全技術總體框架,結合系統建設的基礎設施進行安全設計。通過安裝、部署軟件硬件基礎設施,達到設備和計算安全要求[6]。同時,按照智慧海河框架要求,通過海委統一身份認證管理平臺完成系統登錄,實現與海委政務外網其他業務應用系統的統一用戶管理,最終實現與水利部統一用戶管理系統的用戶同步[7]。

2.3 關鍵技術

系統采用前后端分離的開發模式,前端頁面采用Vue實現,后端基于SpringBoot框架完成接口開發。系統具有良好的擴展性,可通過兩種方式向其他系統提供服務:一是通過Web服務接口向其他業務直接提供數據服務;二是基于多種界面樣式設置能力,直接嵌入其他業務系統形成整體,為用戶提供統一入口。系統開發關鍵技術如下:

a.模塊化。系統開發過程中將最基本的業務單元、算法等封裝為獨立的業務組件,使其具備復用、組裝、定制等能力。

b.微服務。系統開發單個小型但具備業務功能的服務,每個服務依托自身處理和輕量通信機制,能夠部署在單個或多個服務器上。同時,微服務也是一種松耦合的面向服務架構,能夠實現單一服務內部高內聚、外部低耦合[5]。

c.三維展示。系統采用三維模擬仿真技術,將二維平面模擬成三維空間呈現給用戶。較之傳統的二維空間,三維空間更加全面地反映了工程現狀和實際業務信息,帶給用戶更好的真實感體驗,同時方便用戶對三維模型進行旋轉、平移、縮放等瀏覽操作[8]。

d.數據可視化。將每一個業務數據項作為單個圖元元素進行表示,大量的數據集構成數據圖像,同時將數據的各個屬性值以多維數據的形式表示,方便用戶從不同的維度觀察數據,并可對數據進行更為深入的觀察和分析。

e.移動終端原生開發技術。當前流行的兩大移動平臺主要包括IOS和Android,前者使用Objective-C或者Swift語言開發,后者使用Java語言開發。系統充分考慮移動設備計算能力、存儲空間、運行效率等限制,優化系統UI設計,充分利用手機屏幕展示關鍵信息。

2.4 功能設計與實現

以流域水資源業務管理為核心,兼顧流域、地方、部門職能,統籌考慮各業務流程和功能需求,搭建業務門戶,構建業務系統,以水資源動態評價與生態水量實時調度模型、數字永定河平臺為支撐,形成涵蓋業務門戶、全景永定河、監督管理、水量調度、綜合評價、遙感分析、信息填報、系統管理等功能模塊在內的智能、高效、協同的業務系統[9]。系統功能模塊見表2。

2.4.1 首頁

首頁針對海委、京津冀晉四省市、永定河公司用戶,提供重要業務信息展示功能,包括流域概況、治理效果、治理指標、治理措施、水量調度等版塊。首頁界面見圖2。

2.4.2 全景永定河

全景永定河以三維仿真場景、平面地圖、概化圖等地圖及數據服務支撐平臺為基礎,從永定河流域時空全局出發,融合水文、水資源、水環境、水生態、水工程等數據,以全景化的方式,全方位、多視角、漸進式地展示永定河流域各類水利要素信息,主要分為監測監控、水資源管理、防洪四預等子模塊。

2.4.3 監督管理

監督管理包括河道生態水量考核和治理指標監督兩個子模塊。其中生態水量考核是對永定河流域山區段的山西省、河北省、北京市三省(直轄市)河道生態水量年度完成情況提供考核功能;治理指標監督是對永定河綜合治理與生態修復的5項指標(生態水量、新增農業節水能力、水功能區達標率、重要水源地水質類別、干流堤防達標率)的實現情況進行監督管理[10]。

2.4.4 水量調度

水量調度實現對流域生態水量調度的全過程管理,為流域生態水量調度業務提供支撐。該模塊對流域規劃水平年水資源配置方案進行管理,調用永定河水資源動態評價與生態水量實時調度模型進行全年調度形勢預測,模擬生成流域年度調配方案,輔助年度調度計劃制定,對調度過程進行實時監控,通過模型實時運算生成優化調度方案,調度后對調度的效果進行評估,進行與水量分配相關水賬的計算,確定重要水庫的生態庫容[11]。

水量調度包括水資源配置方案、調度計劃、優化調度、調度后評估等功能。其中,水資源配置方案功能基于地圖與表格形式展示水資源配置方案中的供水能力、需水量以及缺水量等重要信息,并提供對流域規劃水平年水資源配置方案的查詢與管理功能;調度計劃功能基于概化圖與表格形式展示年度調水計劃,模擬生成流域年度調配方案,同時提供年度調度計劃、春季秋季調水方案等輔助制定功能;優化調度功能基于年度調度計劃,在不斷更新的實時數據驅動下,調用模型,預測最新的來水、需水情況,實現實時優化調度。水量調度界面見圖3。

圖3 水量調度界面

2.4.5 綜合評價

綜合評價通過對永定河流域水資源、水環境、水生態不同時期的狀況進行評價,實現對永定河流域水生態環境變化情況的有效掌握,綜合評價永定河綜合治理的效果,確定流域生態健康修復敏感因子,為永定河流域生態調水方案的制定、綜合治理與生態修復措施的制定提供決策依據[12],包括水資源評價、水環境評價和水生態評價等子模塊。

2.4.6 遙感分析

遙感分析是對永定河流域內各類重點目標的耗水分析,通過耗水分析結合流域內灌區的基本情況,對灌區的灌溉管理進行分析,最終為永定河流域灌溉管理提供決策支撐。

2.4.7 信息填報

信息填報是將尚未實現在線監測的數據通過人工填報的形式錄入系統,先保存至前置數據庫,通過審核后將數據保存至數據庫,實現流域內數據的統籌計算分析與展示。

2.4.8 系統管理

系統管理是對系統運行期間的生態水量考核、工程項目、水庫、水閘工程等基礎信息和用戶權限進行的維護管理,包括基礎信息管理、指標閾值、項目管理、用戶權限管理等子模塊。

3 結 語

數字流域是智慧水利建設的重要組成部分,數字孿生是當前及今后一個時期實現流域數字化的重要支撐技術。根據水利部推進智慧水利建設部署,建設數字孿生流域已經成為當前智慧水利建設的核心任務與目標。本文從數字流域視角出發,遵循智慧永定河總體框架要求,通過監測體系、數字永定河平臺、業務系統和安全體系的設計與實現,構建起服務于永定河流域的水資源實時監控與調度系統,實現了“監督、監控、評價、評估、調度、預警”的核心功能。 按照《永定河綜合治理與生態修復總體方案(2022年修編)》《數字孿生永定河建設先行先試實施方案》等文件要求,永定河實時監控與調度系統建設將作為數字孿生永定河1.0版本,下一步需充分運用信息化前沿技術,加快構建具有"四預"功能的智慧永定河流域樣本,力爭為推動海河流域智慧水利建設發揮重要的示范引領作用。